現(xiàn)在，機(jī)器學(xué)習(xí)模型在生產(chǎn)環(huán)境中的使用比以往都要廣泛。Keras就是這樣一種流行的庫，用于創(chuàng)建強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型。然而，這些模型的訓(xùn)練過程常常計(jì)算開銷大，還費(fèi)時(shí)，具體取決于實(shí)際處理的數(shù)據(jù)和模型架構(gòu)。一些模型需要數(shù)周到數(shù)月的時(shí)間來訓(xùn)練。因此，能夠在本地存儲(chǔ)模型、需要進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)再次檢索它們變得至關(guān)重要。但如果由于某種原因保存的模型沒有正確加載，該怎么辦?我會(huì)根據(jù)本人的經(jīng)驗(yàn)試著給出答案。

我不會(huì)詳細(xì)介紹如何使用和保存Keras模型，只是假設(shè)讀者熟悉該過程，直接介紹如何處理加載時(shí)意外的模型行為。也就是說，在訓(xùn)練存儲(chǔ)在Model變量中的Keras模型之后，我們希望將其保存為原樣，那樣下次加載時(shí)我們可以跳過訓(xùn)練，就進(jìn)行預(yù)測(cè)。

我首選的方法是保存模型的權(quán)重，權(quán)重在模型創(chuàng)建開始時(shí)是隨機(jī)的，隨著模型的訓(xùn)練而加以更新。于是我點(diǎn)擊了model.save_weights(“model.h5”)。創(chuàng)建了“model.h5”文件，含有模型學(xué)習(xí)到的權(quán)重。接下來，在另一個(gè)會(huì)話中，我使用與以前相同的架構(gòu)重建模型，并使用 new_model.load_weights(“model.h5”)加載我保存的訓(xùn)練權(quán)重。一切似乎都很好。只是我點(diǎn)擊 new_model.predict(test_data)后，得到的準(zhǔn)確性為零，不知道為什么。

事實(shí)證明，模型無法做出正確的預(yù)測(cè)有諸多原因。我在本文試著總結(jié)最常見的原因，并介紹如何解決。

1. 先仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)。

我知道這似乎很明顯，但是從磁盤重新加載模型時(shí)，一有疏忽就會(huì)導(dǎo)致性能下降。比如說，如果您在構(gòu)建語言模型，應(yīng)確保在每個(gè)新會(huì)話中，您執(zhí)行以下操作：

• 重新檢查類標(biāo)簽的順序。如果您將它們映射到數(shù)字，重新檢查在每個(gè)會(huì)話中每個(gè)類標(biāo)簽都有相同的數(shù)字。如果您使用list(set())函數(shù)來檢索，可能會(huì)發(fā)生這種情況，該函數(shù)每次都會(huì)以不同的順序返回您的標(biāo)簽。這最終可能會(huì)搞亂您的標(biāo)簽預(yù)測(cè)。
• 檢查數(shù)據(jù)集。如果您的測(cè)試數(shù)據(jù)還沒有在另一個(gè)文件中，檢查訓(xùn)練-測(cè)試拆分不是隨機(jī)的，以便每次進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，您根據(jù)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此您的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性最終會(huì)不一致。

當(dāng)然，您可能會(huì)遇到其他與數(shù)據(jù)相關(guān)的問題，具體取決于您從事的領(lǐng)域。然而，請(qǐng)始終檢查數(shù)據(jù)表示的一致性。

2. 度量指標(biāo)問題

導(dǎo)致錯(cuò)誤或結(jié)果不一致的另一個(gè)原因是，準(zhǔn)確性度量指標(biāo)的選擇。在構(gòu)建模型并保存其權(quán)重時(shí)，我們通常執(zhí)行以下操作：

def build_model(max_len, n_tags): 
   input_layer = Input(shape=(max_len, ))
    output_layer = Dense(n_tags, activation = 'softmax')(input_layer)
    model = Model(input_layer, output_layer)
    
return model

model = build_model()
model.compile(optimizer="adam", 
loss="sparse_categorical_crossentropy", metrics=["accuracy"])

model.fit(..)
model.save_weights("model.h5")

如果我們需要在新的會(huì)話/腳本中打開它，需要執(zhí)行以下操作：

def build_model(max_len, n_tags): 
   input_layer = Input(shape=(max_len, ))
    output_layer = Dense(n_tags, activation = 'softmax')(input_layer)
    model = Model(input_layer, output_layer)
    
    return model
model = build_model()
model.compile(optimizer="adam", loss="sparse_categorical_crossentropy", metrics=["accuracy"])
model.load_weights("model.h5")
model.evaluate()

這可能拋出錯(cuò)誤，具體視所使用的特定的Keras/Tensorflow版本而定。編譯模型并選擇“準(zhǔn)確性”作為指標(biāo)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問題。Keras識(shí)別準(zhǔn)確性的各種定義：“稀疏分類準(zhǔn)確性”、“分類準(zhǔn)確性”等;視您使用的數(shù)據(jù)而定，不同的定義是優(yōu)選的解決方案。這是由于如果我們將度量指標(biāo)設(shè)為“準(zhǔn)確性”，Keras將試著分配其中一種特定的準(zhǔn)確性類型，具體取決于它認(rèn)為哪一種最適合數(shù)據(jù)分布。它可能會(huì)在不同的運(yùn)行中推斷出不同的準(zhǔn)確性指標(biāo)。這里最好的解決方法是，始終明確設(shè)置準(zhǔn)確性指標(biāo)，而不是讓Keras自行選擇。比如說，把

model.compile(optimizer="adam", 
loss="sparse_categorical_crossentropy", metrics=["accuracy"])

換成：

model.compile(optimizer="adam", 
loss="sparse_categorical_crossentropy", metrics=["sparse_categorical_accuracy"])

3. 隨機(jī)性

在與以前相同的數(shù)據(jù)上重新訓(xùn)練Keras神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，您很少兩次獲得同樣的結(jié)果。這是由于Keras中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在初始化權(quán)重時(shí)使用隨機(jī)性，因此每次運(yùn)行時(shí)權(quán)重的初始化方式都不同，因此在學(xué)習(xí)過程中這些權(quán)重會(huì)以不同方式更新，于是在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)不太可能獲得相同的準(zhǔn)確性結(jié)果。

如果出于某種原因，您需要在訓(xùn)練之前使權(quán)重相等，可以在代碼前面設(shè)置隨機(jī)數(shù)生成器：

from numpy.random import seed
seed(42)
from tensorflow import set_random_seed
set_random_seed(42)

numpy隨機(jī)種子用于Keras，而至于Tensorflow后端，我們需要將其自己的隨機(jī)數(shù)生成器設(shè)置為相等的種子。該代碼片段將確保每次運(yùn)行代碼時(shí)，您的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重都會(huì)被同等地初始化。

4. 留意自定義層的使用

Keras提供了眾多層(Dense、LSTM、Dropout和BatchNormalizaton等)，但有時(shí)我們希望對(duì)模型中的數(shù)據(jù)采取某種特定的操作，但又沒有為它定義的特定層。一般來說，Keras提供了兩種類型的層：Lambda和基礎(chǔ)層類。但對(duì)這兩種層要很小心，如果您將模型架構(gòu)保存為json格式更要小心。Lambda層的棘手地方在于序列化限制。由于它與Python字節(jié)碼的序列化一同保存，它只能加載到保存它的同一個(gè)環(huán)境中，即它不可移植。遇到該問題時(shí)，通常建議覆蓋keras.layers.Layer層，或者只保存其權(quán)重，從頭開始重建模型，而不是保存整個(gè)模型。

5. 自定義對(duì)象

很多時(shí)候，您會(huì)想要使用自定義函數(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)，或計(jì)算損失/準(zhǔn)確性等指標(biāo)的函數(shù)。

Keras允許這種使用，為此讓我們可以在保存/加載模型時(shí)指定額外的參數(shù)。假設(shè)我們想要將我們自行創(chuàng)建的特殊的損失函數(shù)與之前保存的模型一并加載：

model = load_model("model.h5", custom_objects=
{"custom_loss":custom_loss})

如果我們?cè)谛颅h(huán)境中加載該模型，必須在新環(huán)境中小心定義custom_loss函數(shù)，因?yàn)槟J(rèn)情況下，保存模型時(shí)不會(huì)記住這些函數(shù)。即使我們保存了模型的整個(gè)架構(gòu)，它也會(huì)保存該自定義函數(shù)的名稱，但函數(shù)體是我們需要額外提供的東西。

6. 全局變量初始化器

如果您使用Tensorflow 1.x作為后端——您可能仍然需要該后端用于許多應(yīng)用程序，這點(diǎn)尤為重要。運(yùn)行tf 1.x會(huì)話時(shí)，您需要運(yùn)行tf.global_variables_initializer()，它隨機(jī)初始化所有變量。這么做的副作用是，當(dāng)您嘗試保存模型時(shí)，它可能重新初始化所有權(quán)重。您可以手動(dòng)停止該行為，只需運(yùn)行：

from keras.backend import manual_variable_initialization manual_variable_initialization(True)

結(jié)語

本文列出了最常導(dǎo)致您的Keras模型無法在新環(huán)境中正確加載的幾個(gè)因素。有時(shí)這些問題導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果，而在其他情況下，它們只會(huì)拋出錯(cuò)誤。它們何時(shí)發(fā)生、如何發(fā)生，在很大程度上也取決于您使用的Python版本以及Tensorflow和Keras版本，因?yàn)槠渲幸恍┌姹静幌嗉嫒荩瑥亩鴮?dǎo)致意外的行為。但愿讀完本文后，下次遇到此類問題時(shí)您知道從何處入手。

原文標(biāo)題：Why Loading a Previously Saved Keras Model Gives Different Results: Lessons Learned，作者：Kristina Popova